(57)【要約】【課題】本発明の課題は、リソグラフィにより形成できるパターンの寸法を微細化し、かつ、パターンの配置密度を大幅に高めることである。【解決手段】下層感光性材料の表面に、該下層感光性材料の露光波長の光に対して透過性が良いパターンを、該パターンを通った光の位相が該パターンが存在しない部分を通った光と大略反転するような膜厚で位相シフタとして形成し、その上から露光光線を照射して下層感光性材料を露光する。位相シフタは、下層感光性材料上に上層感光性材料を付すか、中間層非感光性材料と上層感光性材料を付して形成する。位相シフタの輪郭位置でだけ下層感光性材料に照射される光の強度が低くなるため、微細パターンを形成することができ、位相シフタの両側にパターンができるのでパターン密度を倍加することができる。【選択図】  図１
2005019930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光波長λの下層感光性材料の表面に、露光雰囲気の屈折率をｎ０、Ｎを０または正の整数とする時、該露光波長の光に対する屈折率がｎ１で前記の露光波長λの光に対して透過性の良い上層感光性材料を大略ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ０）の膜厚で付したことを特徴とする感光性材料の積層構造
【請求項２】
下層感光性材料の表面に、該下層感光性材料の露光光線に対して透過性の良い中間層非感光性材料を、前記中間層非感光性材料を該露光波長の光が透過する際に該中間層非感光性材料がない部分を通過する光と大略位相が反転する膜厚で付し、該中間層非感光性材料の上に上層感光性材料を付したことを特徴とする感光性材料の積層構造
【請求項３】
露光波長λの下層感光性材料の表面に付した、露光雰囲気の屈折率をｎ０、Ｎを０または正の整数とする時、該露光波長λの光に対する屈折率がｎ１で透過性の良い膜厚が大略ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ０）の上層感光性材料のパターンを透過位相シフタとして前記下層感光性材料を露光し、前記上層感光性材料のパターンの輪郭位置に下層感光性材料の微細パターンを形成することを特徴とする微細パターン形成方法
【請求項４】
下層感光性材料の表面に、該下層感光性材料の露光波長の光に対して透過性の良い中間層非感光性材料を、前記中間層非感光性材料を該露光波長の光が透過する際に該中間層非感光性材料がない部分を通過する光と大略位相が反転する膜厚で付し、該中間層非感光性材料の上に前記下層感光性材料と感光波長の異なる上層感光性材料を付した感光性材料の積層構造を用い、前記上層感光性材料を露光・現像して得た該上層感光性材料のパターンをマスキング材として中間層非感光性材料をエッチングして中間層非感光性材料のパターンを形成する工程と、該中間層非感光性材料のパターンを透過位相シフタとして前記下層感光性材料を露光して前記中間層非感光性材料のパターンの輪郭位置に下層感光性材料の微細パターンを形成する工程とを有することを特徴とする微細パターン形成方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路や光素子などを構成する微細パターン形状をシリコンウエハなどの被露光基板上に付したレジストなどの感光性材料に形成するために用いるリソグラフィ技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路や光素子などの微細パターンを製作する際には、シリコンウエハなどの被露光基板上にレジストなどの感光性材料を付し、投影露光、密着露光、近接露光、直接描画などの方法により光、Ｘ線、電子線、イオンビームなどを所定の形状に照射して前記感光性材料を露光し、露光後に現像を施すことによりポジ形感光性材料の感光部またはネガ形材料の未感光部を除去するリソグラフィと呼ばれる方法が用いられている。
【０００３】
工業的に量産に使われている代表的な露光方法は投影露光という方法であり、レチクルなどの原図基板を用意し、該原図基板上のパターンを投影レンズなどの投影光学系を介して被露光基板上に付した感光性材料に投影露光転写する。
【０００４】
密着露光や近接露光は、投影露光技術が開発される以前に使われていた代表的な露光技術である。現在も一部で使われているが、投影光学系によって縮小転写ができる投影露光と異なり等倍転写であるため、被露光基板上に付した感光性材料に転写すべきパターンと同じ微細度のパターンを持つ原図基板が必要であり、縮小投影用のパターン寸法の大きい原図基板に比して製作が困難で高価となる。また、該原図基板と感光性材料を付した被露光基板が接触して感光性材料が原図基板に転移し、露光時に欠陥となることが多い。
【０００５】
直接描画は、原図基板を用いず、被露光基板上に付した感光性材料を整形した光、電子線、イオンなどのビームで走査露光し、該感光性材料を任意のパターン形状に露光する方法である。原図基板を用いる上記の他の方法と比べると露光に要する時間が長くなる欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体集積回路や光素子などを微細化するためには、上記の各種露光と現像の組み合わせによるリソグラフィにより今迄以上に微細なパターンを今迄以上に高密度で形成することが必要である。
【０００７】
しかしながら、露光に用いられる前記した広義の光が波動性を有し、回折による解像限界があるため、従来の方法では微細化に限界が来ている。とくに、微細パターンの配置間隔を狭めること、すなわちパターン密度を上げることは従来の技術ではできず、新しい方策を必要とする。
【０００８】
このような状況下で、広義の露光光線の明暗分布が悪くても、すなわち光強度のコントラストが低くてもパターンを形成できるようにすることにより、わずかでもパターンの配置間隔を狭める方法として多層レジストを用いるリソグラフィ技術が、たとえば応用物理学会編「超微細加工技術」（オーム社、平成９年２月２５日発行）の６９ページ、図２．４７に開示されているように、各種考えられている。
【０００９】
これらの従来の多層レジストを用いるリソグラフィ技術においては、表面に配置されるレジストやシリル化材料などの上層感光性材料の膜厚を薄くし、広義の露光光線の明暗分布が悪くても、すなわち光強度のコントラストが低くても感光部と未感光部が分かれ易くし、より微細で高密度のパターンを形成できるようにする。
【００１０】
そして、２層レジストの場合には、該上層感光性材料のパターンをエッチングマスクとして下層材料をエッチングし、３層レジストの場合には、該上層感光性材料のパターンをエッチングマスクとして中間層材料をエッチングし、該中間層材料をエッチングして得られるパターンをエッチングマスクとして下層材料をエッチングして、最終的に下層材料のパターンを得る。中間層材料自体を２層以上の膜で構成する場合もある。
【００１１】
しかしながら、上記の従来の多層レジストを用いるリソグラフィ技術は、上層感光性材料の膜厚を薄くしてパターンを作り易くし、該上層感光性材料のパターンを基に下層材料をエッチングして該下層材料のパターンを得ることにより微細化と高密度化を図る技術であり、基本的に上層感光性材料のパターンと大差ない寸法のパターンしか形成できず、かつ、上層感光性材料のパターンと同じ配置密度のパターンしか形成できない。
【００１２】
これに対し、本発明は、上層感光性材料のパターンの線幅よりはるかに微細な線幅のパターンを、該上層感光性材料のパターンの配置密度に対し、その倍密度で形成できる新しい方策を提供せんとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するため、本発明の感光性材料の積層構造においては、露光波長λの下層感光性材料の表面に、露光雰囲気の屈折率をｎ０、Ｎを０または正の整数とする時、該露光波長の光に対する屈折率がｎ１で前記の露光波長λの光に対して透過性の良い上層感光性材料を大略ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ０）の膜厚で積層した構造とする。
【００１４】
また、下層感光性材料の表面に、該下層感光性材料の露光光線に対して透過性の良い中間層非感光性材料を、前記中間層非感光性材料を該露光波長の光が透過する際に該中間層非感光性材料がない部分を通過する光と大略位相が反転する膜厚で付し、該中間層非感光性材料の上に前記下層感光性材料と感光波長の異なる上層感光性材料を付して積層した構造とする。
【００１５】
中間層非感光性材料を単一の材料とする場合には、露光波長λの下層感光性材料の表面に、露光雰囲気の屈折率をｎ０、Ｎを０または正の整数とする時、該露光波長λの光に対する屈折率がｎ２で透過性の良い中間層非感光性材料を大略ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ２−ｎ０）の膜厚で付し、該中間層非感光性材料の上に上層感光性材料を積層する。
【００１６】
一方、本発明の微細パターン形成方法においては、露光波長λの下層感光性材料の表面に付した、露光雰囲気の屈折率をｎ０、Ｎを０または正の整数とする時、該露光波長λの光に対する屈折率がｎ１で透過性の良い膜厚が大略ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ０）の上層感光性材料のパターンを透過位相シフタとして前記下層感光性材料を露光し、前記上層感光性材料のパターンの輪郭位置に下層感光性材料の微細パターンを形成する。
【００１７】
また、下層感光性材料の表面に、該下層感光性材料の露光波長の光に対して透過性の良い中間層非感光性材料を、前記中間層非感光性材料を該露光波長の光が透過する際に該中間層非感光性材料がない部分を通過する光と大略位相が反転する膜厚で付し、該中間層非感光性材料の上に前記下層感光性材料と感光波長の異なる上層感光性材料を付した感光性材料の積層構造を用い、前記上層感光性材料を露光・現像して得た該上層感光性材料のパターンをマスキング材として中間層非感光性材料をエッチングして中間層非感光性材料のパターンを形成する工程と、該中間層非感光性材料のパターンを透過位相シフタとして前記下層感光性材料を露光して前記中間層非感光性材料のパターンの輪郭位置に下層感光性材料の微細パターンを形成する工程とを有するようにする。
【００１８】
中間層非感光性材料を単一の材料とする場合には、下層感光性材料の表面に、下層感光性材料の露光波長をλ、屈折率がｎ２、露光雰囲気の屈折率をｎ０、Ｎを０または正の整数とする時、該中間層非感光性材料を大略ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ２−ｎ０）の膜厚で付し、該中間層非感光性材料の上に上層感光性材料を積層した感光性材料の積層構造を用い、該上層感光性材料のパターンをマスキング材料として前記中間層非感光性材料のパターンを形成する工程と、該中間層非感光性材料のパターンを透過位相シフタとして前記下層感光性材料を露光して該中間層非感光性材料のパターンの輪郭位置に下層感光性材料の微細パターンを形成する工程とを有するようにする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の感光性材料の積層構造および微細パターン形成方法の実施形態を説明する図であり、図（ａ）が本発明の感光性材料の積層構造、図全体が本発明の微細パターン形成方法の工程である。
【００２０】
まず、図（ａ）に示すように、半導体ウエハなどの基板１上にレジストなどの感光性材料を２層に重ねて付す。２が下層感光性材料、３が上層感光性材料であり、それぞれの膜の付加方法は、スピンコート、電着、スパッタ、蒸着など任意の方法でよい。下層感光性材料２、上層感光性材料３ともポジ型、ネガ型のいずれでもよい。
【００２１】
ここで、上層感光性材料３は下層感光性材料２を感光させるのに使用する広義の露光光線に対し透過率の良い材料とする。広義の露光光線とは、可視光、紫外光、遠紫外光、真空紫外光、Ｘ線、電子線、イオンビームなど、従来リソグラフィに使用されている任意の露光光線である。また、下層感光性材料２は、上層感光性材料３が感光する広義の露光光線に対してほとんど感光しない材料とする。
【００２２】
さらに、上層感光性材料３は、その厚さを、下層感光性材料２の露光に用いる光線が上層感光性材料３を通過する時、上層感光性材料３のない部分を通過する光と位相が概ね反転する厚さとする。
【００２３】
下層感光性材料２を露光するのに用いる光線に対する上層感光性材料３の屈折率をｎ１、露光雰囲気の屈折率をｎ０、上層感光性材料３の膜厚をｔとすれば、上層感光性材料３を通過する光と上層感光性材料３がない部分を通過する光との光路長の差はＬ＝（ｎ１−ｎ０）ｔとなる。位相を反転するには、露光光線の露光雰囲気中での波長をλとする時、Ｌ＝（２Ｎ＋１）λ／２とすればよい。ここでＮは０または正の整数である。したがって、上層感光性材料３の膜厚を大略ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ０）とすれば、位相を反転できる。
【００２４】
下層感光性材料２と上層感光性材料３とを２層に重ねて付すため、混合しない材料どうしを組み合わせることが好ましいが、下層感光性材料２と上層感光性材料３の間に、下層感光性材料２や上層感光性材料３の露光や現像に支障をきたさない範囲で、任意の薄い膜を介在させて混合しないようにしても良い。
【００２５】
また、基板１と下層感光性材料２との間に反射防止膜を付しても良く、下層感光性材料２と上層感光性材料３の間および／または上層感光性材料３の上に、反射防止膜やコントラスト増加膜を付しても良い。
【００２６】
次に、図（ｂ）に示すように、上層感光性材料３が感光し、下層感光性材料２がほとんど感光しない露光光線４を使用して上層感光性材料３を露光する。図は露光光線４をパターン形状に即して上層感光性材料３に照射することを意図して描いてある。露光方法は任意であり、前記した投影露光、密着露光、近接露光、直接描画など任意の方法でよい。
【００２７】
そして、図（ｃ）に示すように、現像して上層感光性材料３のパターン３ａを形成する。図（ｃ）は上層感光性材料３が現像により感光部が溶けるポジ型の感光性材料であるとして描いてある。上層感光性材料３の種類により、必要ならば、現像の前にベークを行う。
【００２８】
現像時に上層感光性材料３が膜厚を減じ、上層感光性材料３のパターン３ａの膜厚が上層感光性材料３の初期膜厚より小さくなる場合には、現像後に上層感光性材料３のパターン３ａの膜厚が前記の（ｎ１−ｎ０）ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２を満たすｔとなるようにする。
【００２９】
この後、図（ｄ）に示すように、下層感光性材料２が感光する露光光線５を露光領域全域に照射する。光線は露光領域全域に一斉に照射してもよく、照射光束を走査して露光領域を順次照射するようにしてもよい。
【００３０】
この時、上層感光性材料３は下層感光性材料２を感光させるのに使用する広義の露光光線に対し透過率の良い材料としてあり、かつ、上層感光性材料３は露光光線が通過する間に位相を概ね反転する厚さとしてあるため、上層感光性材料３のパターン３ａは下層感光性材料２の露光光線５に対して位相シフタとして働き、パターン３ａを透過する下層感光性材料２の露光光線は該パターン３ａのない部分を通過した光線に対して位相が概ね反転する。
【００３１】
この結果、パターン３ａの輪郭位置においては、位相が逆の光波同士が干渉し合い、図（ｅ）に示すように、光強度が低くなる。
【００３２】
パターン３ａの内側で該パターン３ａの輪郭から離れた部分を透過した光の強度は、下層感光性材料２が感光する露光光線５に対する上層感光性材料３の透過率に応じて、パターン４の無い部分の光強度より小さくなるが、上層感光性材料３を該透過率の良い材料としてあるので、パターン３ａの輪郭位置の光強度よりは十分に大きくなる。
【００３３】
この結果、下層感光性材料２の露光量を、パターン３ａ内の輪郭から離れた部分で下層感光性材料２が感光し、パターン３ａの輪郭位置では下層感光性材料２が感光しない露光量に設定すれば、パターン３ａの輪郭位置の下層感光性材料２のみを未感光部とすることができる。
【００３４】
次に、図（ｆ）に示すように、上層感光性材料３が感光し、下層感光性材料２がほとんど感光しない露光光線４を再び使用し、上層感光性材料３のパターン３ａを露光する。
【００３５】
現像して図（ｇ）に示すように上層感光性材料３のパターン３ａを除去した後、下層感光性材料２に現像処理を施せば、図（ｈ）に示すように、下層感光性材料２のパターン２ａを形成することができる。下層感光性材料２の種類により、必要ならば、現像の前にベークを行う。
【００３６】
下層感光性材料２の現像に先立って上層感光性材料３のパターン３ａを除去するには、該上層感光性材料３がポジ型の場合には、上記のように露光・現像を行えばよい。また、上層感光性材料３がネガ型の場合には、下層感光性材料２との間で選択比のとれるドライエッチングを行うか、上層感光性材料３だけが溶ける薬剤に浸漬すればよい。
【００３７】
図（ｈ）は下層感光性材料２が現像により感光部が溶けるポジ型の感光性材料であるとして描いてある。現像を行うと、上層感光性材料３のパターン３ａの輪郭位置で未感光部となっている下層感光性材料２だけが残り、微細ライン状のパターン２ａが形成される。
【００３８】
また、下層感光性材料２がネガ型の場合は、現像を行うと上層感光性材料３のパターン３ａの輪郭位置で未感光部となっている下層感光性材料２のみが溶け、微細スペース状のパターンが形成される。
【００３９】
下層感光性材料２に形成されるパターン２ａは、上層感光性材料３のパターン３ａの輪郭位置すなわちパターン３ａの両側にできる。したがって、たとえば、上層感光性材料３のパターン３ａがライン状またはスペース状であれば、１本のパターンに対し、パターン幅の間隔で２本の下層感光性材料２のパターン２ａが両端のつながった形で形成される。
【００４０】
すなわち、下層感光性材料２のパターン２ａの配置密度は上層感光性材料３のパターン３ａの倍密度となる。
【００４１】
なお、下層感光性材料２が感光する露光光線に対しても感光するポジ型の上層感光性材料３を使用すれば、図（ｄ）の工程で下層感光性材料２用の露光光線を露光領域全域に照射する際に、上層感光性材料３のパターン３ａも同時に感光する。したがって、図（ｆ）の露光工程を設けなくてもそのまま現像すれば図（ｇ）の状態となる。
【００４２】
下層感光性材料２が感光する露光光線に対しても感光し、現像液も下層感光性材料２と共通なポジ型の上層感光性材料３を使用すれば、図（ｄ）の工程で下層感光性材料２用の露光光線を露光領域全域に照射した後、上層感光性材料３のパターン３ａを予め除去する工程を設けなくても、該共通の現像液を用いてそのまま現像すれば、図（ｈ）の状態となり、微細ライン状のパターン２ａまたは微細スペース状のパターンが形成される。
【００４３】
図２は本発明の微細パターン形成方法の別の実施形態を説明する図であり、図（ａ）が本発明の感光性材料の積層構造、図全体が本発明の微細パターン形成方法の工程である。
【００４４】
まず、図（ａ）に示すように、半導体ウエハなどの基板１１上にレジストなどの下層感光性材料１２を付し、その上にアモルファスシリコン、ポリシリコン、シリコンガラス、酸化シリコンなどの中間層非感光性材料１３を付し、さらにその上にレジストなどの上層感光性材料１４を重ねて付す。それぞれの膜の付加方法は、スピンコート、電着、スパッタ、蒸着など任意の方法でよい。下層感光性材料１２と上層感光性材料１４はポジ型、ネガ型のいずれでもよい。
【００４５】
ここで、中間層非感光性材料１３は下層感光性材料１２を感光させるのに使用する広義の露光光線に対し透過率の良い材料とする。広義の露光光線とは、可視光、紫外光、遠紫外光、真空紫外光、Ｘ線、電子線、イオンビームなど、従来リソグラフィに使用されている任意の露光光線である。
【００４６】
さらに、中間層非感光性材料１３は、その厚さを、下層感光性材料１２の露光に用いる光線が該中間層非感光性材料１３を通過する時、中間層非感光性材料１３を通過しない光線に対して位相を概ね反転する厚さとする。
【００４７】
中間層非感光性材料１３を単一の材料とする場合には、下層感光性材料１２を露光するのに用いる光線に対する中間層非感光性材料１３の屈折率をｎ２、露光雰囲気の屈折率をｎ０、中間層非感光性材料１３の膜厚をｔとすれば、中間層非感光性材料１３を通過する光と中間層非感光性材料１３がない部分を通過する光との光路長の差はＬ＝（ｎ２−ｎ０）ｔとなる。位相を反転するには、露光光線の露光雰囲気中での波長をλとする時、Ｌ＝（２Ｎ＋１）λ／２とすればよい。ここでＮは０または正の整数である。したがって、中間層非感光性材料１３の膜厚を大略ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ２−ｎ０）とすれば、位相を反転できる。
【００４８】
中間層非感光性材料１３を多層に形成した２つ以上の材料としても良く、その場合には、２つ以上の材料での合計の光路長差をＬとして、Ｌ＝（２Ｎ＋１）λ／２とすればよい。
【００４９】
また、基板１１と下層感光性材料１２との間や中間層非感光性材料１３と上層感光性材料１４との間に反射防止膜を付しても良く、上層感光性材料１４の上に、反射防止膜やコントラスト増加膜を付しても良い。
【００５０】
次に、図（ｂ）に示すように、上層感光性材料１４が感光する露光光線１５を使用して上層感光性材料１４を露光する。露光方法は任意であり、前記した投影露光、密着露光、近接露光、直接描画など任意の方法でよい。
【００５１】
中間層非感光性材料１３として上層感光性材料１４の露光光線１５がほとんど透過しない材料を用いれば下層感光性材料１２は感光しない。
【００５２】
また、中間層非感光性材料１３が上層感光性材料１４の露光光線１５を透過し、下層感光性材料１２に到達して該下層感光性材料１２を感光させてしまうおそれがある場合には、下層感光性材料１２は、上層感光性材料１４が感光する広義の露光光線に対してほとんど感光しない材料を用いる。
【００５３】
そして、図（ｃ）に示すように、現像して上層感光性材料１４のパターン１４ａを形成する。図（ｃ）は上層感光性材料１４ａが現像により感光部が溶けるポジ型の感光性材料であるとして描いてある。上層感光性材料１４の種類により、必要ならば、現像の前にベークを行う。
【００５４】
次に、形成した上層感光性材料１４のパターン１４ａをエッチングマスクとして中間層非感光性材料１３をエッチングし、図（ｄ）に示すように中間層非感光性材料１３のパターン１３ａを形成する。
【００５５】
エッチング後、上層感光性材料１４のパターン１４ａを除去し、図（ｅ）に示すように、下層感光性材料１２上に中間層非感光性材料１３のパターン１３ａが形成されている状態にする。上層感光性材料１４のパターン１４ａを除去するには、酸素プラズマアッシングなどを行えばよい。
【００５６】
この後、図（ｆ）に示すように、下層感光性材料１２が感光する露光光線１６を露光領域全域に照射する。露光光線１６は露光領域全域に一斉に照射してもよく、照射光束を走査して露光領域を順次照射するようにしてもよい。
【００５７】
この時、中間層非感光性材料１３は下層感光性材料１２を感光させるのに使用する広義の露光光線１６に対し透過率の良い材料としてあり、かつ、露光光線１６が通過する間に位相を概ね反転する厚さとしてあるため、中間層非感光性材料１３のパターン１３ａは下層感光性材料１２の露光光線１６に対して透過型位相シフタとして働き、中間層非感光性材料１３のパターン１３ａを透過する下層感光性材料１２の露光光線１６は該パターン１３ａのない部分を通過した光線に対して位相が概ね反転する。
【００５８】
この結果、中間層非感光性材料１３のパターン１３ａの輪郭位置においては、位相が逆の光波同士が干渉し合い、図（ｇ）に示すように、光強度が低くなる。
【００５９】
パターン１３ａの内側で該パターン１３ａの輪郭から離れた部分を透過した光の強度は、下層感光性材料１２が感光する露光光線に対する中間層非感光性材料１３の透過率に応じて、パターン１３ａの無い部分の光強度より小さくなるが、中間層非感光性材料１３は該透過率の良い材料としてあるので、パターン１３ａの輪郭位置の光強度よりは十分に大きくなる。
【００６０】
この結果、下層感光性材料１２の露光量を、パターン１３ａ内の輪郭から離れた部分で下層感光性材料１２が感光し、パターン１３ａの輪郭位置では下層感光性材料１２が感光しない露光量に設定すれば、パターン１３ａの輪郭位置の下層感光性材料１２のみを未感光部とすることができる。
【００６１】
したがって、図（ｈ）に示すように中間層非感光性材料１３のパターン１３ａを除去してから下層感光性材料１２に現像処理を施せば、図（ｉ）に示すように、パターン１３ａの輪郭位置であった場所に下層感光性材料１２のパターン１２ａを形成することができる。
【００６２】
下層感光性材料１２の現像に先立って中間層非感光性材料１３のパターン１３ａを除去するには、下層感光性材料１２との間で選択比のとれるドライエッチングを行うか、中間層非感光性材料１３のパターン１３ａだけが溶ける薬剤中に浸漬すればよい。
【００６３】
図（ｉ）は下層感光性材料１２が現像により感光部が溶けるポジ型の感光性材料であるとして描いてあり、上層感光性材料１４のパターン１４ａの輪郭位置で未感光部となっている下層感光性材料１２が残り、微細ライン状のパターン１２ａが形成される。
【００６４】
また、下層感光性材料１２がネガ型の場合は、現像を行うと上層感光性材料１４のパターン１４ａの輪郭位置で未感光部となっている下層感光性材料１２のみが溶け、微細スペース状のパターンが形成される。
【００６５】
下層感光性材料１２に形成されるパターン１２ａは、中間層非感光性材料１３のパターン１３ａすなわち上層感光性材料１４のパターン１４ａの輪郭位置すなわちパターンの両側の端にできる。したがって、たとえば、上層感光性材料１４のパターン１４ａがライン状またはスペース状であれば、１本のパターンに対し、パターン幅の間隔で２本の下層感光性材料１２のパターン１２ａが両端のつながった形で形成される。
【００６６】
すなわち、下層感光性材料１２のパターン１２ａの配置密度は上層感光性材料１４のパターン１４ａの倍密度となる。
【００６７】
【実施例】
次に、本発明の微細パターン形成方法の具体的な実施例について説明する。最初に示す実施例は、図１に示した実施形態の実施例であり、基板１としてシリコンウエハ、下層感光性材料２に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザリソグラフィ用または波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザリソグラフィ用または波長１９０〜２７０ｎｍの遠紫外線用のポジ型レジスト、上層感光性材料３に波長３６５ｎｍのｉ線用、４０５ｎｍのｈ線用、４３６ｎｍのｇ線用または波長３００〜５００ｎｍの紫外線〜短波長可視光用のポジ型レジストを用いる。
【００６８】
シリコンウエハには反射防止膜を塗布してから下層感光性材料２として用いるレジストを塗布することが好ましい。
【００６９】
下層感光性材料２として用いるレジストおよび上層感光性材料３として用いるレジストには異なる溶媒を用いたレジストを用い、重ねて塗布しても混合しないようにする。
【００７０】
下層感光性材料２として用いるレジストおよび上層感光性材料３として用いるレジストとも、必要に応じて塗布後にプリベークを行う。
【００７１】
上層感光性材料３のパターン３ａの形成には、たとえば縮小投影露光装置を用いて上層感光性材料３とするレジストを露光し現像する。レジストに応じて必要ならば、露光後ベークを施してから現像する。
【００７２】
上層感光性材料３のパターン３ａの屈折率をｎ１、露光雰囲気の屈折率をｎ０、下層感光性材料２として用いるレジストを露光するのに用いる光線の波長をλとする時、上層感光性材料３のパターン３ａの膜厚ｔが、ほぼｔ＝λ／２（ｎ１−ｎ０）となるようにすれば、下層感光性材料２として用いるレジスト露光用の光線が上層感光性材料３のパターン３ａを通過する時、該パターン３ａのない部分を通過する光と位相が概略反転する。
【００７３】
この結果、前記上層感光性材料３のパターン３ａの輪郭位置においては、位相が逆の光波同士が干渉し合い光強度が低くなる。
【００７４】
したがって、前記上層感光性材料３のパターン３ａが下層感光性材料２として用いるレジスト上に形成された上から、下層感光性材料２として用いるレジストの露光光線を照射すれば、上層感光性材料３のパターン３ａの輪郭位置以外の下層感光性材料２として用いるレジストを感光させることができる。
【００７５】
現像を施せば、未感光部に上層感光性材料３のパターン３ａの倍密度で下層感光性材料２として用いるレジストの微細パターン２ａが形成される。
【００７６】
一例として下層感光性材料２として用いるレジストをＪＳＲ株式会社製のポジ型レジストＫＲＦ−Ｍ６Ｇで膜厚約０．４μｍ、上層感光性材料３として用いるレジストを東京応化工業株式会社製のポジ型レジストＴＨＭＲｉＰ３３００で膜厚約０．２μｍとし、上層感光性材料３として用いるレジストの露光に中心波長４８０ｎｍの自作した短波長可視光投影露光装置、下層感光性材料２として用いるレジストの露光に低圧水銀ランプの波長２５４ｎｍの輝線を用いた場合の実験結果を示す。
【００７７】
上記のレジストと露光光線を組み合わせた場合、下層感光性材料２として用いるレジストは上層感光性材料３として用いるレジストの露光光線に対してほとんど感光しない。
【００７８】
上層感光性材料３として用いるレジストは、上記の厚さの場合、下層感光性材料２として用いるレジストの露光光線に対する強度透過率が約８５％であり、かつ、上層感光性材料３として用いるレジストを透過する露光光線により下層感光性材料２として用いるレジストを感光させると、上層感光性材料３として用いるレジストも感光する。
【００７９】
上層感光性材料３として用いるレジストの約０．２μｍという膜厚は、下層感光性材料２として用いるレジスト露光用の光線が上層感光性材料３として用いるレジストを通過する時、該上層感光性材料３として用いるレジストのない部分を通過する光と位相が大略反転する厚さである。
【００８０】
位相を反転するには、ｔ＝（２Ｎ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ０）とすればよく、λ＝２５４ｎｍ、Ｎ＝０、ｎ１＝１．８０、ｎ０＝１．００とすれば、位相を反転するのに好適な上層感光性材料３として用いるレジストの膜厚ｔはｔ＝２２１ｎｍとなる。
【００８１】
上層感光性材料３として用いる前記レジストによりピッチ１．３３μｍのラインアンドスペースパターンを形成した。露光後ベークを行い、現像にはＴＭＡＨ（テトラアンモニウムハイドロオキサイド）２．３８％のアルカリ現像液（東京応化工業株式会社製ＮＭＤ−Ｗ）を用いた。
【００８２】
そして、該ピッチ１．３３μｍのラインアンドスペースパターンが形成された状態で下層感光性材料２として用いるレジスト露光用の低圧水銀ランプからの光線を露光領域全域に一斉に照射した。
【００８３】
上層感光性材料３として用いた前記レジストは下層感光性材料２として用いるレジストの露光光線に対しても感光するため、前記の下層感光性材料２として用いるレジスト露光用の光線を露光領域全域に照射する際に、前記上層感光性材料３として用いる前記レジストにより形成した該ピッチ１．３３μｍのラインアンドスペースパターンも同時に露光されて感光する。
【００８４】
露光後ベークの後、表面に前記該ピッチ１．３３μｍのラインアンドスペースパターンが形成された下層感光性材料２として用いたレジストをＴＭＡＨ（テトラアンモニウムハイドロオキサイド）２．３８％のアルカリ現像液（東京応化工業株式会社製ＮＭＤ−Ｗ）により現像した。
【００８５】
感光した上層感光性材料３として用いたレジストにより形成した前記ピッチ１．３３μｍのラインアンドスペースパターンは溶け去り、該ラインアンドスペースパターンの輪郭位置すなわち未感光部となった場所に該ピッチ１．３３μｍのラインアンドスペースパターンの倍密度で下層感光性材料２として用いたレジストの微細ラインアンドスペースパターンが形成された。
【００８６】
図３は本発明の微細パターン形成方法の実施例を示す顕微鏡写真である。図（ａ）が上記に説明した前記上層感光性材料３として用いたポジ型レジストＴＨＭＲｉＰ３３００により形成したピッチ１．３３μｍのラインアンドスペースパターンであり、図（ｂ）が最終的に形成された下層感光性材料２として用いたポジ型レジストＫＲＦ−Ｍ６Ｇの微細ラインアンドスペースパターンである。図（ａ）では２１、図（ｂ）では２２がレジストのパターンであり、レジストのパターン２２の線幅は約０．１３μｍである。
【００８７】
次に、図２に示した下層感光性材料、中間層非感光性材料、上層感光性材料を重ねて付して微細パターンを形成する方法の実施例について説明する。
【００８８】
基板１１としてシリコンウエハ、下層感光性材料１２に波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザリソグラフィ用のポジ型レジスト、中間層非感光性材料１３に膜厚約２４８ｎｍの酸化シリコン膜、上層感光性材料１４に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザリソグラフィ用のポジ型レジストを用いる。
【００８９】
シリコンウエハには反射防止膜を塗布してから下層感光性材料１２として用いるレジストを塗布することが好ましい。
【００９０】
中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜の厚さは、下層感光性材料１２として用いるレジストを感光させるのに使用する波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光が該酸化シリコン膜を通過する間に該酸化シリコン膜がない部分を通過した光線と位相が概ね反転する厚さとする。
【００９１】
中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜の屈折率をｎ２、露光雰囲気の屈折率をｎ０、下層感光性材料１２として用いるレジストを露光するのに用いる光線の波長をλとする時、中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜の膜厚ｔが、ほぼｔ＝λ／２（ｎ２−ｎ０）となるようにすれば、下層感光性材料２として用いるレジスト露光用の光線が該酸化シリコン膜を通過する時、該酸化シリコン膜のない部分を通過する光と位相が概略反転する。
【００９２】
λ＝２４８ｎｍ、Ｎ＝０、ｎ２＝１．５０、ｎ０＝１．００とすれば、位相を反転するのに好適な中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜の膜厚ｔはｔ＝２４８ｎｍとなる。
【００９３】
下層感光性材料１２として用いるレジストおよび上層感光性材料１４として用いるレジストとも、必要に応じて塗布後にプリベークを行う。
【００９４】
中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜はスパッタ、スピンコートなど任意の方法で付せばよい。スピンコートの場合はベークを加える。
【００９５】
まず、上層感光性材料１４のパターン１４ａを形成する。たとえばＡｒＦエキシマレーザを光源とする縮小投影露光装置を用いてレチクル上のパターンを上層感光性材料１４とするレジスト上に投影露光して現像する。レジストに応じて必要ならば、露光後ベークを施してから現像する。
【００９６】
上層感光性材料１４のパターン１４ａを形成する際、露光光線１５の一部が上層感光性材料１４とするレジストおよび中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜を透過して下層感光性材料１２として用いるレジストに到達するが、ＡｒＦエキシマレーザリソグラフィ用のポジ型レジストは露光光線１５の透過率が低く上層感光性材料１４を透過する比率が少ないため、下層感光性材料１２として用いるレジストを感光させることはない。
【００９７】
次に、形成した上層感光性材料１４として用いたＡｒＦエキシマレーザリソグラフィ用レジストのパターン１４ａをエッチングマスクとして、中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜をエッチングし、中間層非感光性材料１３のパターン１３ａを形成する。
【００９８】
エッチング後、上層感光性材料１４として用いたレジストのパターン１４ａを除去し、下層感光性材料１２として用いるレジスト上に中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜のパターン１３ａが形成されている状態にする。
【００９９】
この後、中間層非感光性材料１３として用いる酸化シリコン膜のパターン１６が形成されている上から下層感光性材料１２が感光する露光光線１６として波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光を露光領域全域に照射する。
【０１００】
この時、中間層非感光性材料１３して用いる酸化シリコン膜のパターン１３ａは下層感光性材料１２の露光光線に対して位相シフタとして働き、パターン１３ａを透過する下層感光性材料１２の露光光線は該パターン１３ａのない部分を通過した光線に対して位相が概ね反転する。
【０１０１】
この結果、前記中間層非感光性材料１３して用いる酸化シリコン膜のパターン１３ａの輪郭位置では、位相が逆の光波同士が干渉し合い光強度が低くなる。そして、該パターン１３ａの輪郭位置以外の下層感光性材料１２として用いるＫｒＦエキシマレーザリソグラフィ用レジストを感光させることができる。
【０１０２】
次に、該中間層非感光性材料１３して用いた酸化シリコン膜のパターン１３ａを緩衝弗酸液に浸漬した後水洗して除去する。
【０１０３】
そして、下層感光性材料１２として用いるＫｒＦエキシマレーザリソグラフィ用レジストに、必要に応じて露光後ベークを加えた後、現像を施せば、未感光部である酸化シリコン膜のパターン１３ａの輪郭位置に、前記上層感光性材料１４のパターン１４ａや中間層非感光性材料１３して用いた酸化シリコン膜のパターン１３ａの倍密度で下層感光性材料１２として用いるＫｒＦエキシマレーザリソグラフィ用レジストの微細パターン１２ａが形成される。
【０１０４】
次に、図２に示した下層感光性材料、中間層非感光性材料、上層感光性材料を重ねて付して微細パターンを形成する方法の別の実施例について説明する。
【０１０５】
基板１１としてシリコンウエハ、下層感光性材料１２に波長１２．４ｎｍのＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ）光用のポジ型レジスト、中間層非感光性材料１３に膜厚約２９２ｎｍのアモルファスシリコンやポリシリコンなどのシリコン膜、上層感光性材料１４に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザリソグラフィ用のポジ型レジストを用いる。
【０１０６】
この波長のＥＵＶ光用としてＫｒＦエキシマレーザリソグラフィ用のレジストが使用できることが知られているので、下層感光性材料１２としてＫｒＦエキシマレーザリソグラフィ用のレジストを用いても良い。
【０１０７】
シリコンウエハには反射防止膜を塗布してから下層感光性材料１２として用いるレジストを塗布することが好ましい。
【０１０８】
中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜の厚さは、下層感光性材料１２として用いるレジストを感光させるのに使用する波長１２．４ｎｍのＥＵＶ光が該シリコン膜を通過する間に該シリコン膜がない部分を通過した光線と位相が概ね反転する厚さとする。
【０１０９】
中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜の屈折率をｎ２、露光雰囲気の屈折率をｎ０、下層感光性材料１２として用いるレジストを露光するのに用いる光線の波長をλとする時、中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜の膜厚ｔが、ほぼｔ＝λ／２（ｎ２−ｎ０）となるようにすれば、下層感光性材料２として用いるレジスト露光用の光線が該シリコン膜を通過する時、該シリコン膜のない部分を通過する光と位相が概略反転する。
【０１１０】
λ＝１２．４ｎｍ、Ｎ＝０、ｎ２＝１．０２１２、ｎ０＝１．００００とすれば、位相を反転するのに好適な中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜の膜厚ｔはｔ＝２９２ｎｍとなる。
【０１１１】
下層感光性材料１２として用いるレジストおよび上層感光性材料１４として用いるレジストとも、必要に応じて塗布後にプリベークを行う。
【０１１２】
中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜はスパッタなど任意の方法で付せばよい。
【０１１３】
まず、上層感光性材料１４のパターン１４ａを形成する。たとえばＡｒＦエキシマレーザを光源とする縮小投影露光装置を用いてレチクル上のパターンを上層感光性材料１４とするレジスト上に投影露光して現像する。レジストに応じて必要ならば、露光後ベークを施してから現像する。
【０１１４】
上層感光性材料１４のパターン１４ａを形成する際、露光光線は中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜を透過しないので、下層感光性材料１２として用いるＥＵＶ光用のレジストを感光させることはない。
【０１１５】
次に、形成した上層感光性材料１４として用いたレジストのパターン１４ａをエッチングマスクとして、中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜をエッチングし、中間層非感光性材料１３のパターン１３ａを形成する。
【０１１６】
エッチング後、上層感光性材料１４として用いたレジストのパターン１４ａを除去し、下層感光性材料１２として用いるレジスト上に中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜のパターン１３ａが形成されている状態にする。
【０１１７】
この後、中間層非感光性材料１３として用いるシリコン膜のパターン１３ａが形成されている上から波長１２．４ｎｍのＥＵＶ光を露光領域全域に照射する。
【０１１８】
この時、中間層非感光性材料１３して用いるシリコン膜のパターン１３ａは下層感光性材料１２の露光光線に対して位相シフタとして働き、パターン１３ａを透過する下層感光性材料１２の露光光線は該パターン１３ａのない部分を通過した光線に対して位相が概ね反転する。
【０１１９】
波長１２．４ｎｍのＥＵＶ光に対する中間層非感光性材料１３して用いるシリコン膜の線吸収係数はμＬ＝１．７９×１０４ｃｍ−１であり、上記膜厚２９２ｎｍにおける透過率はｅｘｐ（−０．５２３）＝０．５９２である。したがって、振幅透過率は０．７７である。したがって、中間層非感光性材料１３して用いるシリコン膜のパターン１３ａは十分下層感光性材料１２の露光光線に対して透過位相シフタとして働く。
【０１２０】
この結果、前記中間層非感光性材料１３して用いるシリコン膜のパターン１３ａの輪郭位置では、位相が逆の光波同士が干渉し合い光強度が低くなる。そして、該パターン１３ａの輪郭位置以外の下層感光性材料１２として用いるＥＵＶ光用のレジストを感光させることができる。
【０１２１】
次に、該中間層非感光性材料１３して用いるシリコン膜のパターン１３をドライエッチングにより除去する。
【０１２２】
そして、下層感光性材料１２として用いるＥＵＶ光用のレジストに、必要に応じて露光後ベークを加えた後、現像を施せば、未感光部である前記中間層非感光性材料１３して用いるシリコン膜のパターン１３ａの輪郭位置に、前記上層感光性材料１４のパターン１４ａおよび該中間層非感光性材料１３して用いるシリコン膜のパターン１３ａの倍密度で下層感光性材料１２として用いるＥＵＶ光用のレジストの微細パターン１２ａが形成される。
【０１２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の感光性材料の積層構造および微細パターン形成方法によれば、上層感光性材料のパターンより微細な線幅のパターンを上層感光性材料のパターンの倍密度で形成することができる。
【０１２４】
上層感光性材料のパターンの輪郭に沿って下層感光性材料のパターンができるので、場合によると不要なパターンまで一緒に形成されることがあるが、その場合には、別途その部分を除去すれば問題ない。
【０１２５】
半導体集積回路や光デバイスなどを高性能化するためには、微細なパターンを狭い配置間隔で形成することが不可欠であるが、本発明によれば、従来の方法により形成できた上層感光性材料のパターンを基に、上層感光性材料のパターンよりはるかに微細な線幅のパターンを上層感光性材料のパターン配置の倍密度で形成できるため、集積回路や光デバイス回路の大幅な高密度化、高性能化を図ることができる。
【０１２６】
従来、リソグラフィによりパターンを形成するためには、光源と露光装置が必要であり、真空紫外光やＥＵＶ光などの短波長光を用いて露光を行うためには極めて高度な光学系を要するため、露光装置価格は極めて高額である。
【０１２７】
しかしながら、本発明を用いれば、下層感光性材料のパターン形成時には単に光を露光領域全体に一斉照射または走査照射しさえすればよく、露光を行うための極めて高度な光学系や高精度位置合わせ機構などを何ら要しない。
【０１２８】
したがって、透過材料が乏しく、反射率もあまり高くとれない真空紫外光やＥＵＶ光などの短波長の光を従来に比して遥かに利用し易い。
【０１２９】
下層感光性材料のパターンの解像度は下層感光性材料を露光する光線の波長に依存し、短波長である程、回折が小さく解像度が良くなるため、本発明を利用してこれらの短波長光を用いれば、極めて高解像が得られる。
【０１３０】
投影露光の解像度を改善し、パターン密度を上げる方法として、原図とするレチクルに位相シフタを付けた位相シフトマスクが使われており、たとえば応用物理学会編「超微細加工技術」（オーム社、平成９年２月２５日発行）の２９〜４１ページに各種の例が開示されているが、本発明はレチクルではなく被露光基板側の感光性材料表面に位相シフタを付けるという全く別の発想である。
【０１３１】
したがって、従来の位相シフトマスクを使用した上で本発明を適用することも可能であり、上層感光性材料のパターンを形成する際に従来の位相シフトマスクを用いれば、上層感光性材料のパターンを微細かつ高密度とでき、本発明により該微細かつ高密度な上層感光性材料のパターンに対し、該パターンよりさらに微細にして倍密度のパターンを形成することができる。
【０１３２】
位相シフトマスク以外の従来考えられている任意の解像度向上方法を本発明と組み合わせることが可能なのは言うまでもなく、任意の解像度向上方法を本発明の上層感光性材料のパターン形成に適用すればよい。
【０１３３】
たとえば、東木達彦著、光リソグラフィ技術−実践的基礎と課題−（ＥＤリサーチ社、平成１４年７月１日発行）の１７〜１９ページに開示されている変形照明法と組み合わせることが可能である。該変形照明法を用いて上層感光性材料のパターンを形成し、本発明を適用すればよい。
【０１３４】
また、逆に、本発明で形成した下層感光性材料のパターンを従来の多層レジストの最上層レジストパターンとして利用することも可能であり、本発明で形成した下層感光性材料のパターンを多層レジストの最上層レジストパターンとしてエッチングマスクに使用すれば、順次下の層の材料をエッチングすることにより微細にして高密度なパターンを形成できる。
【０１３５】
このように本発明で形成した下層感光性材料のパターンを従来の多層レジストの最上層レジストパターンとして利用すれば、本発明を適用する際の下層感光性材料を薄くでき、一般に感光性材料の膜厚を薄くすれば解像性が向上することから、なお一層の高解像化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の感光性材料の積層構造および微細パターン形成方法の説明図である。
【図２】本発明の別の感光性材料の積層構造および別の微細パターン形成方法の説明図である。
【図３】本発明の感光性材料の積層構造および微細パターン形成方法の実施結果を示す電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１  基板
２  下層感光性材料
３  上層感光性材料
４  上層感光性材料が感光し、下層感光性材料がほとんど感光しない露光光線
５  下層感光性材料が感光する露光光線
１１  基板
１２  下層感光性材料
１３  中間層非感光性材料
１４  上層感光性材料
１５  上層感光性材料が感光する露光光線
１６  下層感光性材料が感光する露光光線
２１  レジストのパターン
２２  レジストのパターン
【図１】
2005019930.tif 000003
【図２】
2005019930.tif 000004
【図３】
2005019930.tif 000005